超音速火焰喷涂低碳 WC/12Co 涂层的组织及性能研究
傅声华，张永会，王韶毅
热处理
摘 要: 采用离心雾化干燥法制得团聚颗粒，经连续高温烧结成两种不同松装密度的热喷涂粉末。采用以C3H8/O2为燃料的超音速火焰喷涂( HVOF) 工艺制备了 WC/12Co 涂层。对粉末及涂层做了显微组织观察和 XRD 分析，测定了涂层的厚度、显微硬度和粉末沉积效率。结果表明，在1120 ℃、1180 ℃烧结的粉末中主要有 WC 和 W6Co6C，但无 Co 相; 涂层有脱碳，有 Co6W6C 相，但未出现单质 Co。涂层组织均匀致密，沉积效率可达 65%。
关键词: 低碳 WC/12Co 涂层; 超音速火焰喷涂; 相组成; 丙烷/氧；热喷涂
高速火焰( HVOF) 喷涂工艺具有较低的热能及较高的动能。研究［1-2］表明，超音速火焰的速度可达1 500 m/s 以上，对于 WC-Co 系硬质合金，可以有效地抑制 WC 在喷涂过程中分解。采用 HVOF 制备的涂层与基体的结合强度高，致密，耐磨损性能优越，因此高速火焰喷涂工艺能制备高性能的涂层，特别适合诸如碳化钨等材料的喷涂。低碳 WC-Co 粉末广泛用于浸锌沉没辊的表面防腐。Kazumi 等人［3］研究认为，在钴基碳化钨涂层的表面，锌液中的铝在涂层中优先扩散沉积，形成富铝的薄层阻碍锌的扩散。另有研究［4］发现，WC/Co 涂层在锌液中的腐蚀表现为沿裂纹的腐蚀，即涂层中的缺陷是裂纹源，在锌液以及热喷涂所产生的残余应力的共同作用下，形成沿裂纹的腐蚀。增加涂层的致密度，可延长涂层的使用寿命。浸锌沉没辊喷涂粉末涂层［5］的 粘 结 相 主 要 为 η 相［10］，如 Co3W3C 和Co6W6C，能有效阻止锌液向涂层内部扩散，延缓锌液对涂层的腐蚀。火焰和电弧喷涂工艺产生的孔隙率最大，而超音速火焰喷涂层所产生的涂层非常致密，孔隙率低。试验发现，喷枪速度小，靶矩小，涂层内残余应力增大，同时显微硬度也有所提高。涂层硬度与其组织结构有很大关系，其组织基本是 WC颗粒和 Co 相结合［6］。本文借助丙烷/氧气超音速热喷涂系统［7］，研究了低碳 WC-12%Co 热喷涂层组织和性能的变化，为改进喷涂该类型粉末制品的工艺提供参考。
1 试验
试验以本公司生产的 WC 和 Co 粉为原料，其配比( 质量分数，%) 为88WC-12Co，其中 WC 的费氏平均粒度为2．1 μm，总含碳量为4．61%，氧含量为0．08%，通过球磨喷雾干燥制得混合料，然后松装脱脂烧结，烧结温度分别为1120 ℃、1180 ℃，结果见表1。
烧结后的粉块分别进行破碎筛分处理，制得粒度为15 ～45 μm 的粉末。采用 ZB-2000 超音速火焰喷涂系统制备涂层，其以丙烷/氧气为燃料，氮气为送粉载气，基材为 45 钢，喷涂前 10 min 除油污，然后用 24 号白刚玉进行基材表面粗化。试样 1 采用两组喷涂工艺进行喷涂，工艺参数见表 2。
2 试验结果及分析讨论
2． 1 粉末形貌
由图1 可以看出烧结温度对粉末形貌的影响。从颗粒剖面图可以发现，在较低温度烧结对粉末颗粒内部结构的影响不明显，松装密度分别为4． 6 g / cm3、4． 2 g/cm3，均为疏松多孔状颗粒，但试样 1 孔隙更明显，球形度较高，故流动性好，用 SEM观察发现有少量“卫星”颗粒，但颗粒表面孔隙分布均匀。图 1( d) 还表明，WC 晶粒约 2． 0 μm，经过烧结未出现长大，均匀细小的晶粒有利于涂层获得优异的力学性能。以上特性可使在喷涂过程中送粉顺畅，火焰集中，沉积效率高［2，5］。疏松多孔颗粒便于吸收热量，迅速达到半熔融状态，从而在涂覆过程中有利于颗粒的扁平化，减少涂层孔隙，提高涂层质量。
2． 2 物相分析
图 2 为粉末的 X 射线衍射图。由图可知，粉末中主要含 WC 相和 Co6W6C，当合金脱碳不太严重时，在烧结温度下，合金中的 η 相全部为 Co3W3C; 当合金含碳量进一步降低时，合金中的相以 Co3W3C和 Co6W6C 两种形式存在; 当合金脱碳程度进一步增加，合金中 η 相中的 Co6W6C 比例越来越高［10］。
本样品碳含量甚低，由此可推测主要存在 Co6W6C 相，而 Co3W3C 相含量极少未能在图谱中反映出来。图 3表明，在喷涂后除保留 WC 和 Co6W6C 相外，还出现多种新相 W2C、W、微量 CCo2W4，这说明在喷涂过程中出现了氧化脱碳及 WC 的高温分解［5，9，12］。按喷涂工艺 B 制备的涂层 W2C、W 相衍射峰较按工艺 A 制备的涂层弱，看来提高燃氧比例，减小喷涂距离能一定程度上起到抑制脱碳及 WC 分解的作用。丙烷/氧气超音速火焰喷涂工艺参数有待进一步探索。
2． 3 涂层组织性能
试样经线切割制成 50 mm ×18 mm ×20 mm 试块，经水磨-抛光处理后进行硬度测量及组织形貌观察。涂层硬度测定采用 401 MVA 型显微硬度计，载荷 300 g，在具有代表性的 10 个点测量［11］。2 号试样按喷涂工艺 A、B 制备的涂层显微硬度平均值分别为 950 HV0． 3 和 932 HV0． 3，由涂层物相及组织分析可知，可能是由于粉末在喷涂过程中发生了氧化脱碳，及硬质相 WC 高温分解成硬度较低的 W2C及 W 相而导致硬度偏低。
涂层组织如图 4 所示，涂层与基体结合界面良好，孔隙及夹杂物较少。图 4( b) 为高倍形貌，表明涂层组织均匀，含有微量的孔隙，孔隙率 ＜2%; 涂层平均厚度为 310 μm，由封闭式喷涂试验测得沉积效率为 65%，即具有较高的喷涂沉积效率。
3 结论
( 1) 含碳量约4%的 WC-12Co 粉末在温度为1120～ 1180 ℃ 烧结可制得 WC 及 Co6W6C 相、疏松多孔的粉末颗粒，具有较高的喷涂沉积效率，封闭式喷涂试验表明其沉积效率达 65%。
( 2) 低碳 WC-12Co 在喷涂过程中易发生氧化脱碳和高温分解，提高燃氧比例，减小喷涂距离能一定程度上抑制脱碳及分解; 涂层未出现 Co 相，保留了 Co6W6C 相，涂层组织均匀致密。
参考文献略
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